深基坑工程——第七章排桩-多层支撑桩

•第七章排桩支护设计1主要内容第一节概述第二节悬臂桩设计计算第三节单层支撑（锚拉）桩设计计算第四节多层支撑（锚拉）桩设计计算第五节排桩设计的构造要求第六节排桩支护结构变形计算第七节排桩的施工与检验23第四节多层支撑（锚拉）桩设计计算一、多层支撑（锚拉）桩的设计计算内容二、多层支撑（锚拉）桩的设计计算原理三、多层支撑（锚拉）桩的设计计算步骤四、多层支撑（锚拉）桩身截面尺寸与配筋验算多层支撑（锚拉）桩支护体系各组成部分内撑式支护体系一般包括二部分，竖向围护结构体系和内支撑体系。有时还包括止水帷幕。45678北锚碇基础为目前世界最深矩形超深基坑，长69m，宽50m，底板厚度5.0m，采用嵌入基岩的地下连续墙（墙厚1.2m）与12道钢筋砼内支撑及节点处的16根φ1.2m和16根φ0.6m钢管砼立柱桩作为深基坑的围护结构，基坑最大开挖深度50m。锚区距长江大堤仅70多米。(1)多层支撑（锚拉）桩嵌固深度的确定。(2)支护结构体系的内力分析和结构强度计算。（锚索及内撑结构设计）(3)基坑的稳定性验算。(4)基坑底抗渗流稳定验算。(5)基坑的变形计算，内容包括支护结构的侧向位移、坑外地面的沉降和坑底隆起等项目。9一、多层支撑（锚拉）桩的设计计算内容10排桩的设计计算工况排桩的设计中需要对下列工况进行结构分析，并按其中最不利作用效应进行支护结构设计。1、基坑开挖至坑底时的状况；2、对锚拉式和支撑式结构，基坑开挖至各层锚杆或支撑施工面时的状况；3、在主体地下结构施工过程中需要以主体结构构件替换支撑或锚杆的状况；此时，主体结构构件应满足替换后各设计工况下的承载力、变形及稳定性要求；4、对水平内支撑式支挡结构，基坑各边水平荷载不对等的各种工况。结构分析时考虑锚杆或支撑的设置与拆除支点设置工况锚杆或支撑锚杆或支撑锚杆或支撑锚杆或支撑锚杆或支撑锚杆或支撑锚杆或支撑锚杆或支撑锚杆或支撑支撑的拆除工况1112（1）等弯矩布置：各跨度的最大弯矩相等，可充分利用桩的抗弯强度；但是较深基坑，下部的支锚层距过小，层数多，不经济。锚杆（支撑）的布置及特点13（2）等反力布置：各层支锚水平反力基本相等，使锚杆设计简化；但当基坑较深时，下部的支锚层距过小，层数多，同样不经济。锚杆（支撑）的布置及特点14（3）等间距布置：支锚结构的上、下排间距基本相同，基坑较深时，减少了支锚层数，较经济；但带来了较复杂的计算量。等间距布置在工程实际中设计最为普遍。锚杆（支撑）的布置及特点1.支撑点位置的影响图(a)、(b)给出了开挖深度H=15.8m的三层支撑的围护墙在支撑点位置变化时墙体沿深度方向的位移和弯矩分布。与单撑支护结构不同的是，当支撑位置下降时，墙体变形和弯矩在深度范围内均显著减小，即支撑点下移对多撑支护结构的受力和变形都是有利的。支撑点位置、各层支撑间相对刚度对多撑支护结构的影响152.各层支撑间的相对刚度的影响图(a)、(b)给出了各支撑间相对刚度变化时墙体沿深度方向的位移和弯矩的分布情况。曲线a为基本算例；曲线b为最上层支撑刚度增加一倍而其它条件不变的情况；曲线c为最下层支撑刚度增加一倍而其它条件不变的情况。增加最上层支撑刚度可以适当减小墙体上部水平位移而对下部变形无明显的影响，同时使墙体负弯矩有一定程度的增大，增加最下层支撑的刚度则对墙体的受力和变形均很有利。因而多层支撑基坑支护工程应重视和适当加强最下层支撑。16171、桩径、桩距的确定：按照地区经验取值。一般桩径D≥0.4m，可取0.6m、0.8m、1.0m等。桩的中心距不宜大于2D；有地下水时，桩中心距可取（1.2～1.5）D；砂土和软土取小值，粘性土取大值。无地下水、降水或者土质较好时，桩中心距2D。2、土压力计算：按照规范法计算土压力、经验土压力或实测土压力。二、多层支撑（锚拉）桩的设计计算步骤水平位移云图桩间距3.2m时应用有限元法研究合理的桩间距桩间距2.2m时桩间土失稳18二、多层支撑（锚拉）桩的设计计算步骤3、嵌固深度及内力计算：19多层支撑（锚拉）桩支护结构的计算模型与内力分析方法主要有以下几种：1、等值梁法；2、二分之一分担法；3、逐层开挖支撑力不变法；4、弹性支点法；5、有限元法20多层支护的施工是先施工挡土桩或挡土墙，然后开挖第一层土，挖到第一层支撑或锚杆以下若干距离，进行第一层支撑或锚杆施工。然后向下挖第二层土，挖到第二层支撑支点以下若干距离，进行第二层支撑或锚杆施工。如此循环作业，一直挖到坑底为止。其计算方法是根据实际施工，按每层支撑受力后不因下阶段支撑及开挖而改变数值的原理进行的。逐层开挖支撑力不变法21逐层开挖支撑力不变计算法－概述施工方式：多层支护的施工先施工支护桩，然后开挖第一层土，挖到第一层支撑点以下若干距离，进行第一层支撑，然后挖第二层土，当挖到第二层支撑点以下若干距离，进行第二支撑，如此循环。因而计算方法应根据实际施工，按每层支撑受力后不因下阶段开挖而改变的原理进行计算。22a、设置支撑A以前的开挖阶段，可将挡墙作为一端嵌固在土中的悬臂桩；b、在设置支撑B以前的开挖阶段，挡墙是两个支点的静定梁，两个支点分别是A及土中静压力为零的一点；c、在设置支撑C以前的开挖阶段，挡墙是具有三个支点的连续梁，三个支点分别为A、B及土中的土压力为零的点；d、在浇筑底板以前的开挖阶段，挡墙是具有四个支点的三跨连续梁。23逐层开挖支撑力不变计算法－计算假定1.受力的假定：每层支撑后不因下阶段的开挖或支撑设置而改变受力大小。2.变形的假定：上层支撑后，下层开挖时，在上层段内的支护桩变形很小，认为不再变化。3.挖土深度的规定：上层支撑开挖阶段，挖土深度满足下层支撑的施工要求，一般开挖到下层支撑下的0.5m。4.支撑的假定：每层支撑后支撑点可按简支进行计算。5.零弯点的假定：将土压力强度为0的点近似认为是0弯矩点。24逐层开挖支撑力不变计算法－计算方法1.求RB的支撑反力EaFRBRCRDEaORBRCy在未作B点支撑前按悬臂桩来计算，是否满足要求在作B点支撑后，B点支撑必须满足C点支撑尚未施工的要求反力RB算法：找出C点下0弯点距离y，根据O点力矩平衡可以求出RB25逐层开挖支撑力不变计算法－计算方法2.求RC的支撑反力EaFRBRCRDEaORBRDy反力RC算法：找出D点下0弯点距离y，根据O点力矩平衡可以求出RC(注意此时RB的支撑力不变，需考虑此力矩)。RC26逐层开挖支撑力不变计算法－计算方法3.求RD的支撑反力－与上述方法相同。4.核算支撑点和梁的强度－由于连续梁上各支点已知，可以求出各断面弯距，支座的负弯距大于跨中弯距，可求几个支座弯距，选其最大的作为强度核算依据。5.按等值梁法计算桩的嵌固深度。6.基坑中土压力为0点位置，如下表：砂性土黏性土=200.25h(阶段挖土深度)标贯数N20.4h=250.16h2N100.3h=300.08h10N200.2h=350.035h20N0.1h27逐层开挖支撑力不变法－计算算例例：北京京城大厦，超高层建筑，地上52层，地下4层，地面以上高183.53m，箱形基础，埋深23.76m（按23.5m计算），采用进口27m长的H型钢桩（488mm×300mm）挡墙土，锤击打入，间距1.1m。三层锚杆拉结。各层土平均重度＝19kN/m3，土的内摩擦角平均为30，粘聚力c=10kPa，23m以下为卵石，贯入度大于100mm/10击，φ=35~43，潜水位于的圆砾石中，深10m内有上层滞水。地面荷载按10kN/m2计。28逐层开挖支撑力不变法－计算算例解：1、求RBEaO1RBRCy5m7m0.51)先求0弯距点，查表得到＝30，得到y=0.08h=1m。2)求EA572940848934121781125125123301951210330.........AE1157OBMR.81.73)根据O1点力矩平衡求RB22857132940135128489251213411......OM336BR2363365721oR29逐层开挖支撑力不变法－计算算例2、求RCEaO2RBRCy5m7m0.5119.36m1)先求0弯距点，查表得到＝30，得到y=0.08h=1.48m2)求EA312223881073161...AEB2OCR48.15.13MR48.15.63)根据O2点力矩平衡求RC21851852611148107314888314828572233O..M......5490.CR8395336549031222...2oR30逐层开挖支撑力不变法－计算算例3、求RDEaO3RBRCy5m7m5.5m6m1)先求0弯距点，查表得到＝30，得到y=0.08h=1.88m2)求EA51950614131731677....AE355188185188115188DOBC..RM..R..R3)根据O3点力矩平衡求RD32352352776188173131881416188180519233O..M.......629DR150.6495336549062951950..3oR31逐层开挖支撑力不变法－计算算例4、求最大弯距此处，采用简支梁法分段计算8171623121.lKlqKMaaB4308622321221.lRllKllqKMBaaCEaO3RBRCyl1=5ml2=7m5.5ml3=6mRD6826233233212321lRllRlllKlllqKMCBaaD0mkN486mkN8.235mkN8.171FDCBMMMM采用连续梁的计算弯距分配法32多层支撑计算方法分析1、应用连续梁计算方法，因荷载复杂，计算量大且繁琐，与实际结果有一定差距。2、二分之一分担法是一种基于工程实践的近似方法，由于各地不同的土质条件，计算结果差别较大，一般作设计前的估算。石家庄某高层建筑基坑深20.7m，三层锚杆，实际设计的第一层锚杆水平力是按二分之一分担法计算的，其值为316kN，工程发生了事故。后用逐层开挖支撑支承力不变法重新计算，结果为396kN，与设计值差25%。3、逐层开挖支撑力不变法的计算，符合实际的工况，在开挖过程中桩、墙总要发生变形，进行支撑时可随时对支撑轴力调整，而且计算较为简便。m法与等值梁法的比较•用m法和等值梁法分析多撑围护体系时墙体弯矩的分布。•两种方法有很大差别的，从而也说明常用的基坑工程计算理论和方法是存在问题的。•鉴于等值梁法对被动土压力取值的敏感性，建议对多撑支护体系采用m法进行分析，有些工程仅用等值梁法分析是存在隐患的。33m法的局限性•m法即能计算围护墙的位移，可解决等值梁等传统的计算方法不能解决的变形问题，而且计算参数Kh或m已有现成的范围值，在计算机上运算比较简单，但也应该指出通用的弹性地基梁法尚有一些局限性，有待今后作进一步的研究。•m法解决了变形问题，但强度问题基本上没有涉及。由于围护桩墙的嵌固深度主要决定于土的强度，而不是变形的大小，因此不能用m法来确定。此外，由m法算得的土的抗力还需用土的强度理论来判定它是否在容许值之内。可是此处的土抗力又有其特殊涵义，应为静止土压力以外的力（因在位移为零时，土抗力为零），所以较难判定。3435采用m法计算水平承载力、内力和变位时采用一个重要的参数m值。对于m值,较成熟的是通过单桩横向静载试验。实际上业主极少会为基坑设计而作单桩横向静载试验。采用查表法取m值有很大的不确定性。图12和表2是河海大学施建勇等在南京长江路和估依廊路的国投大厦采用m法计算和实测的一个例子。该基坑坑底距地表11.5m,桩顶距地表2.3m,桩长18.9m。在距地表2